CN111736006B

CN111736006B - 一种应用于无线充电线圈rms电流便捷检测方法

Info

Publication number: CN111736006B
Application number: CN202010788560.3A
Authority: CN
Inventors: 侯森林
Original assignee: Chengdu Yichong Wireless Power Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Yichong Wireless Power Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: CN111736006A

Abstract

本发明公开了一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，包括：S1，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，并通过求取输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG；S2，根据所述电流的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系，计算得到发射模块中线圈coil的电流Icoil的RMS值Icoil_RMS。本发明实现了在无线充电线圈的DC侧直接检测AC侧电流的RMS值，而无需引入AC侧电流检测的额外成本和功率损耗。

Description

一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法

技术领域

本发明涉及无线充电异物检测技术领域，尤其是一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，利用该线圈RMS电流可以判别无线充电是否存在异物。

背景技术

如图1所示的无线充电能量传输路径，左边是无线充电系统中的发射模块(TX)，右边是无线充电系统中的接收模块(RX)。在能量传输过程中，如果存在异物，P_Loss会增加，因此异物检测实际上就是通过检测P_Loss来判断。对于公式P_Loss=P_PT–P_PR，其中P_PT是TX发送的能量，P_PR是RX接受到的能量，这个值可以通过能量通信得到；对于公式P_PT=P_in–P_PTLoss，P_in可以通过输入功率得到，如果能够得到精确的P_PTLoss，就可以准确的得到无线充电系统的P_Loss来检测异物。

对于P_PTLoss的计算现有的技术主要有两种：

1、对于给定的TX估算一个固定的P_PTLoss值；

2、利用高精度ADC采样线圈上Cp与Lp连接点的电流。

技术1存在误差大、异物判断不准或者误判断的风险；技术2存在AC侧电流检测的额外成本和功率损耗。本发明的优势在于通过DC侧直接检测AC侧电流的有效值来计算P_PTLoss，精度比技术1高，成本比技术2低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，可以通过DC侧直接检测AC侧RMS电流。

本发明采用的技术方案如下：

一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，包括：

S1，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，并通过求取输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG；

S2，根据所述电流的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系，计算得到发射模块中线圈coil的电流Icoil的RMS值Icoil_RMS。

进一步地，步骤S1包括如下子步骤：

S11，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，将输入电流IPA放大K倍后转换为电压信息，并在放大时将该电压信息偏置在一个直流参考电平Vbias附近，即得到相对于直流参考电平Vbias的电压波形sns_out；

S12，将电压波形sns_out相对直流参考电平Vbias进行翻转后取平均，再减去直流参考电平Vbias，即得到输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG。

进一步地，实现步骤S11的电路结构为：

检测电阻Rs设置在无线充电系统的发射模块的输入端；

检测电阻Rs的两端分别经一个电阻连接至运算放大器OP_CS的正向输入端和反向输入端；

运算放大器OP_CS的正向输入端连接直流偏置电路；所述直流偏置电路用于提供直流参考电平Vbias。

进一步地，实现步骤S11的电路结构的工作方法为：

输入电流IPA流过检测电阻Rs，并在检测电阻Rs两端产生压差；

所述压差经过运算放大器OP_CS放大K倍后得到所述电压信息；

在放大时，通过直流偏置电路将运算放大器OP_CS的输出偏置在直流参考电平Vbias附近，得到相对于直流参考电平Vbias的电压波形sns_out。

进一步地，实现步骤S12的电路结构为：

电压波形sns_out输入比较器COMP的负输入端，并在比较器COMP的正输入端输入参考电平Vbias，且比较器COMP的输出端连接有逻辑控制器Logic；再将比较器COMP的正输入端和负输入端经两路连接：其中一路由比较器COMP的负输入端依次经开关S1和开关S2与正输入端连接，另一路由比较器COMP的负输入端依次经开关S3和开关S4与正输入端连接；并且，开关S1和开关S2之间的电性连接点与开关S3和开关S4之间的电性连接点之间，连接有由串联的电阻R1和电容C1组成的RC滤波电路；同时，电容C1和开关S4之间的电性连接点还经开关S5接地；所述开关S1、开关S2、开关S3和开关S4由逻辑控制器Logic进行控制，开关S5由MCU控制。

进一步地，实现步骤S12的电路结构的工作方法为：

S121，通过比较器COMP比较电压波形sns_out和参考电平Vbias：

（1）当电压波形sns_out高于直流参考电平Vbias，比较器COMP输出低电平至逻辑控制器Logic，由逻辑控制器Logic控制开关S1和S4闭合，将电压波形sns_out按照sns_out–vbias进行转换；

（2）当电压波形sns_out低于直流参考电平Vbias，比较器COMP输出高电平至逻辑控制器Logic，由逻辑控制器Logic控制开关S2和S3闭合，将电压波形sns_out按照vbias–sns_out进行转换；

S122，在采样RMS值Icoil_RMS时，MCU控制开关S5闭合，同时通过逻辑控制器Logic控制开关S1、开关S2、开关S3和开关S4断开，使电容C1的负极接地，通过电容C1的保持作用实现sns_out–vbias；

S123，通过检测电阻R1和电容C1之间的电性连接点的电压，并结合检测电阻Rs和放大倍数K计算得到输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG。

进一步地，所述结合检测电阻Rs和放大倍数K计算得到输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG的计算公式为：

其中，V为电阻R1和电容C1之间的电性连接点的电压。

进一步地，所述电流Icoil的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系为：

其中，K_f为所述电流Icoil的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的波形系数。

进一步地，当无线充电重载时，线圈coil上的波形接近正弦波，

。

进一步地，当无线充电轻载时，线圈coil上的波形接近三角波，

。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明实现了直接在无线充电线圈的DC侧直接检测AC侧电流的RMS值，而无需引入AC侧电流检测的额外成本和功率损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为无线充电能量传输路径示意图。

图2a为TX传输能量过程示意图；

图2b为TX传输能量过程波形图。

图3为本发明的应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法的流程图。

图4a和4b为本发明的实现应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法的电路结构示意图。

具体实施方式

在无线充电系统中，发射模块(TX)通过线圈耦合给接收模块(RX)发送能量，如果TX与RX之间存在异物（这里指金属异物），在充电过程中会导致异物温度升高，传输的功率就会发生大幅度损耗，这不仅会给无线充电设备带来损伤，也会带来安全问题。为了精确计算TX中的功率损耗，更好的获得系统P_Loss以便提升异物检测性能，需要知道线圈coil的RMS电流的信息。因此快速便捷的检测出线圈coil的RMS电流，就可以根据功率损耗来判断异物是否存在。

如图2a所示的TX传输能量过程示意图，以及如图2b所示的TX传输能量过程波形图，一个周期电流路径可以分解为4个过程：

1、无线充电系统的发射模块的输入电流IPA的路径为Q1→C→L→Q4；

2、无线充电系统的发射模块的输入电流IPA的路径为Q2→C→L→Q3；（由于电感L的电流不能突变的特性，所以在过程1到过程2的瞬间线圈coil上的电流Icoil的波形是连续的，输入电流IPA会发生突变）；

3、无线充电系统的发射模块的输入电流IPA的路径为Q3→L→C→Q2；

4、无线充电系统的发射模块的输入电流IPA的路径为Q4→L→C→Q1；

然后进入下一个循环周期。

在全桥模式下，无线充电系统的发射模块的输入电流IPA相对0进行翻转（即求绝对值）后，与线圈coil上的电流Icoil相对0进行翻转实际上是完全相同的。

在半桥模式下，无线充电系统的发射模块的输入电流IPA相对0进行翻转（即求绝对值）后，与线圈coil上的电流Icoil相对0进行翻转后的二分之一是完全相同的。

因此，根据无线充电系统的发射模块的输入电流IPA与线圈coil上的电流Icoil翻转后的对应关系，可以实现通过求取输入电流IPA的mean值（绝对值后平均值）可以完全等效为线圈coil上的电流Icoil的平均值。最后根据电流Icoil的平均值与RMS值的等效关系就可以得到最终线圈coil上的RMS电流。

那么根据以上原理，如图3所示，本申请实现了一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，包括：

S1，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，并通过求取输入电流IPA的mean值（绝对值后求平均）等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG；

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

S1，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，并通过求取输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG：

一些实施例中，如图4a所示，实现步骤S11的电路结构为：

检测电阻Rs设置在无线充电系统的发射模块的输入端；

上述实现步骤S11的电路结构的工作方法为：

输入电流IPA流过检测电阻Rs，并在检测电阻Rs两端产生压差；

所述压差经过运算放大器OP_CS放大K倍后得到所述电压信息；

其中，附图还给出了一些跟随的元器件，例如在运算放大器OP_CS的输出端的三极管，另外，实施例中偏置电路由一个三极管和一个缓存器Buf组成。该部分内容为本领域技术人员的常规设置，在此不再赘述。

一些实施例中，如图4b所示，实现步骤S12的电路结构为：

上述实现步骤S12的电路结构的工作方法为：

S121，通过比较器COMP比较电压波形sns_out和参考电平Vbias：

S122，在采样RMS值Icoil_RMS时，MCU控制开关S5闭合，同时通过逻辑控制器Logic控制开关S1、开关S2、开关S3和开关S4断开，使电容C1的负极接地，通过电容C1的保持作用实现减参考电平Vbias，即sns_out–vbias；需要说明的是，该电容C1的保持作用是指电容两端电压差不能突变；

基于上述实现的电路结构，所述结合检测电阻Rs和放大倍数K计算得到输入电流IPA的mean值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG的计算公式为：

其中，V为电阻R1和电容C1之间的电性连接点的电压。

对于确定的几种波形，其RMS值（有效值）与AVG值（平均值）有着一定的固定比例关系。RMS值（有效值）与AVG值（平均值）的比例关系推导如下：

RMS值（有效值）是指一个周期内对信号平方后积分，再开方平均，其意义是：在一个周期内做功的大小等于与该值相等的直流电压所做功的大小，表示如下：

其中，T为信号的周期；

AVG值（平均值）是指信号在一个周期内的平均值，表示如下：

对于正负对称的信号来说，平均值显然为0，有时规定这时的平均值为整全波整流之后的平均值，表示如下：

实际中经常会用到RMS值（有效值）与AVG值（平均值）的转换，定义一个信号的RMS值（有效值）与AVG值（平均值）之比为波形系数，表示如下：

显然，信号的类型不同，波形系数也不同。以下表1给出常见波形的波形一些参数

表1：

由此，基于上述RMS值（有效值）与AVG值（平均值）的比例关系推导，所述电流Icoil的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系为：

对于无线充电系统中发射模块的线圈coil的电流Icoil的波形，基本上是三角波或者正弦波，这与RX系统的负载有关。即：

当无线充电重载时，线圈coil上的波形接近正弦波，查表1，

。

当无线充电轻载时，线圈coil上的波形接近三角波，查表1，

。

并且，当无线充电重载或者轻载时，K_f的值相差仅约有4%的差别，因此，本发明可以通过检测线圈coil上的电流Icoil的平均值Icoil_AVG来获得RMS值Icoil_RMS。也就是说，本发明实现了直接在无线充电线圈的DC侧（发射模块的输入端）直接检测AC侧（线圈coil）电流的RMS值，而无需引入AC侧电流检测的额外成本和功率损耗。本发明的检测方法除了上文叙述的串联电阻方式检测输入电流IPA方法，还同样适用于其它检测输入电流IPA的方式，如MOSFET导通阻抗采样、镜像sense采样等方式。这种检测方法具有便捷、电路简单、精度高、安全性好等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，其特征在于，包括：

S1，检测无线充电系统的发射模块的输入电流IPA，并通过求取输入电流IPA的绝对值后平均值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG；

S2，根据所述电流的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系，计算得到发射模块中线圈coil的电流Icoil的RMS值Icoil_RMS；

步骤S1包括如下子步骤：

S12，将电压波形sns_out相对直流参考电平Vbias进行翻转后取平均，再减去直流参考电平Vbias，即得到输入电流IPA的绝对值后平均值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG；

实现步骤S11的电路结构为：

检测电阻Rs设置在无线充电系统的发射模块的输入端；

运算放大器OP_CS的正向输入端连接直流偏置电路；所述直流偏置电路用于提供直流参考电平Vbias；

实现步骤S11的电路结构的工作方法为：

输入电流IPA流过检测电阻Rs，并在检测电阻Rs两端产生压差；

所述压差经过运算放大器OP_CS放大K倍后得到所述电压信息；

在放大时，通过直流偏置电路将运算放大器OP_CS的输出偏置在直流参考电平Vbias附近，得到相对于直流参考电平Vbias的电压波形sns_out；

实现步骤S12的电路结构为：

电压波形sns_out输入比较器COMP的负输入端，并在比较器COMP的正输入端输入参考电平Vbias，且比较器COMP的输出端连接有逻辑控制器Logic，逻辑控制器Logic连接有MCU；再将比较器COMP的正输入端和负输入端经两路连接：其中一路由比较器COMP的负输入端依次经开关S1和开关S2与正输入端连接，另一路由比较器COMP的负输入端依次经开关S3和开关S4与正输入端连接；并且，开关S1和开关S2之间的电性连接点与开关S3和开关S4之间的电性连接点之间，连接有由串联的电阻R1和电容C1组成的RC滤波电路；同时，电容C1和开关S4之间的电性连接点还经开关S5接地；所述开关S1、开关S2、开关S3和开关S4由逻辑控制器Logic进行控制，开关S5由MCU控制；

实现步骤S12的电路结构的工作方法为：

S121，通过比较器COMP比较电压波形sns_out和参考电平Vbias：

S123，通过检测电阻R1和电容C1之间的电性连接点的电压，并结合检测电阻Rs和放大倍数K计算得到输入电流IPA的绝对值后平均值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG。

2.根据权利要求1所述的应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，其特征在于，所述结合检测电阻Rs和放大倍数K计算得到输入电流IPA的绝对值后平均值等效为所述发射模块中线圈coil的电流Icoil的平均值Icoil_AVG的计算公式为：

其中，V为电阻R1和电容C1之间的电性连接点的电压。

3.根据权利要求1所述的应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，其特征在于，所述电流Icoil的平均值Icoil_AVG与RMS值Icoil_RMS的等效关系为：

4.根据权利要求3所述的应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，其特征在于，当无线充电重载时，线圈coil上的波形接近正弦波，

。

5.根据权利要求3所述的应用于无线充电线圈RMS电流便捷检测方法，其特征在于，当无线充电轻载时，线圈coil上的波形接近三角波，

。